Akip's Blog: Materi Elektro

Penguat operasional (bahasa Inggris: operational amplifier) atau yang biasa disebut op-amp merupakan suatu jenis penguat elektronika dengan sambatan (bahasa Inggris: coupling) arus searah yang memiliki bati (faktor penguatan atau dalam bahasa Inggris: gain) sangat besar dengan dua masukan dan satu keluaran. Penguat operasional pada umumnya tersedia dalam bentuk sirkuit terpadu dan yang paling banyak digunakan adalah seri 741.

Penguat operasional adalah perangkat yang sangat efisien dan serba guna. Contoh penggunaan penguat operasional adalah untuk operasi matematika sederhana seperti penjumlahan dan pengurangan terhadap tegangan listrik hingga dikembangkan kepada penggunaan aplikatif seperti komparator dan osilator dengan distorsi rendah.

Penguat operasional dalam bentuk rangkaian terpadu memiliki karakteristik yang mendekati karakteristik penguat operasional ideal tanpa perlu memperhatikan apa yang terdapat di dalamnya. Karakteristik penguat operasional ideal adalah:

Bati tegangan tidak terbatas.
Impedansi masukan tidak terbatas.
Impedansi keluaran nol.
Lebar pita tidak terbatas.
Tegangan ofset nol (keluaran akan nol jika masukan nol)

Aplikasi sirkuit

Terdapat banyak sekali penggunaan dari penguat operasional dalam berbagai jenis sirkuit listrik. Di bawah ini dipaparkan beberapa penggunaan umum dari penguat operasional dalam contoh sirkuit:

Komparator (pembanding)

Komparator.

Merupakan salah satu aplikasi yang memanfaatkan batas simpal terbuka (bahasa Inggris: open-loop gain) penguat operasional yang sangat besar. Ada jenis penguat operasional khusus yang memang difungsikan semata-mata untuk penggunaan ini dan agak berbeda dari penguat operasional lainnya dan umum disebut juga dengan komparator (bahasa Inggris: comparator).

Komparator membandingkan dua tegangan listrik dan mengubah keluarannya untuk menunjukkan tegangan mana yang lebih tinggi.

$V_{\text{out}} = \left\{\begin{matrix} V_{\text{S+}} & V_1 > V_2 \\ V_{\text{S-}} & V_1 < V_2 \end{matrix}\right.$

di mana

V_{\text{s}}

adalah tegangan catu daya dan penguat operasional beroperasi di antara

+V_{\text{s}}

dan

-V_{\text{s}}

Penguat pembalik

Penguat pembalik.

Sebuah penguat pembalik menggunakan umpan balik negatif untuk membalik dan menguatkan sebuah tegangan. Resistor R_f melewatkan sebagian sinyal keluaran kembali ke masukan. Karena keluaran taksefase sebesar 180°, maka nilai keluaran tersebut secara efektif mengurangi besar masukan. Hal ini mengurangi bati keseluruhan dari penguat dan disebut dengan umpan balik negatif.

V_{\text{out}} = -\frac{R_{\text{f}}}{R_{\text{in}}} V_{\text{in}}\!\

Di mana,

$Z_{\text{in}} = R_{\text{in}}\$ (karena $V_{-}\$ adalah bumi maya (bahasa Inggris: virtual ground)
Sebuah resistor dengan nilai $R_{\text{f}} \| R_{\text{in}} \triangleq R_{\text{f}} R_{\text{in}} / (R_{\text{f}} + R_{\text{in}})$ , ditempatkan di antara masukan non-pembalik dan bumi. Walaupun tidak dibutuhkan, hal ini mengurangi galat karena arus bias masukan.

Bati dari penguat ditentukan dari rasio antara R_f dan R_in, yaitu:

A = -\frac{R_f}{R_{in}}

Tanda negatif menunjukkan bahwa keluaran adalah pembalikan dari masukan. Contohnya jika R_f adalah 10.000 Ω dan R_in adalah 1.000 Ω, maka nilai bati adalah -10.000Ω / 1.000Ω, yaitu -10.

Penguat non-pembalik

Penguat non-pembalik.

Rumus penguatan penguat non-pembalik adalah sebagai berikut:

V_{\text{out}} = V_{\text{in}} \left( \frac{R_1 + R_2}{R_1} \right)\,

atau dengan kata lain:

V_{\text{out}} = V_{\text{in}} \left( 1 + \frac{R_2}{R_1} \right)\,

Dengan demikian, penguat non-pembalik memiliki bati minimum bernilai 1. Karena tegangan sinyal masukan terhubung langsung dengan masukan pada penguat operasional maka impedansi masukan bernilai

Z_{\text{in}} \approx \infin

Penguat diferensial

Penguat diferensial.

Penguat diferensial digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan yang telah dikalikan dengan konstanta tertentu yang ditentukan oleh nilai resistansi yaitu sebesar

\frac{ R_{\text{f}} }{ R_1 }\

untuk

R_1 = R_2\

dan

R_{\text{f}} = R_{\text{g}}\

. Penguat jenis ini berbeda dengan diferensiator. Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut:

V_{\text{out}} = \frac{ \left( R_{\text{f}} + R_1 \right) R_{\text{g}} }{\left( R_{\text{g}} + R_2 \right) R_1} V_2 - \frac{R_{\text{f}}}{R_1} V_1

Sedangkan untuk

R_1 = R_2

dan

R_{\text{f}} = R_{\text{g}}

maka bati diferensial adalah:

V_{\text{out}} = \frac{ R_{\text{f}} }{ R_1 } (V_{\text{2}} - V_{\text{1}})\,

Penguat penjumlah

Penguat penjumlah.

Penguat penjumlah menjumlahkan beberapa tegangan masukan, dengan persamaan sebagai berikut:

V_{\text{out}} = -R_{\text{f}} \left( \frac{V_1}{R_1} + \frac{V_2}{R_2} + \cdots + \frac{V_n}{R_n} \right)

Saat $R_1 = R_2 = \cdots = R_n$ , dan $R_{\text{f}}$ saling bebas maka:

V_{\text{out}} = -\frac{R_{\text{f}}}{R_1} ( V_1 + V_2 + \cdots + V_n ) \!\

Saat $R_1 = R_2 = \cdots = R_n = R_{\text{f}}\$ , maka:

V_{\text{out}} = -( V_1 + V_2 + \cdots + V_n ) \!\

Keluaran adalah terbalik.
Impedansi masukan dari masukan ke-n adalah $Z_n = R_n \$ (di mana $V_- \$ adalah bumi maya)

Integrator

Integrator.

Penguat ini mengintegrasikan tegangan masukan terhadap waktu, dengan persamaan:

V_{\text{out}} = -\frac{1}{RC}\int_0^t V_{\text{in}} \, \operatorname{d}t + V_{\text{mula}}\,

di mana

t\

adalah waktu dan

V_{\text{mula}}\

adalah tegangan keluaran pada

t = 0\

.
Sebuah integrator dapat juga dipandang sebagai tapis pelewat-tinggi dan dapat digunakan untuk rangkaian tapis aktif.

Diferensiator

Diferensiator.

Mendiferensiasikan sinyal hasil pembalikan terhadap waktu dengan persamaan:

V_{\text{out}} = -RC \,\frac{\operatorname{d}V_{\text{in}} }{ \operatorname{d}t} \, \qquad

di mana

V_{\text{in}}\

dan

V_{\text{out}} \

adalah fungsi dari waktu.

Pada dasarnya diferensiator dapat juga dibangun dari integrator dengan cara mengganti kapasitor dengan induktor, namun tidak dilakukan karena harga induktor yang mahal dan bentuknya yang besar. Diferensiator dapat juga dilihat sebagai tapis pelewat-rendah dan dapat digunakan sebagai tapis aktif.

Sumber : https://id.wikipedia.org/wiki/Penguat_operasional

Pada rangkaian BJT terdapat tiga rangkaian dasar penguat (amplifier), yaitu emitor bersama (common-emitter, CE), kolektor bersama (common-collector, CC) dan basis bersama (common-base, CB). Berikut ini akan dijabarkan penjelasan dari ketiga rangkaian dasar tersebut.

1. Emitor bersama (common-emitter)

Rangkaian emitter bersama (common-emitter) adalah rangkaian BJT yang menggunakan terminal emitor sebagai terminal bersama yang terhubung ke sinyal sasis (ground), sedangkan terminal masukan dan keluarannya terletak masing-masing pada terminal basis dan terminal kolektor.

Rangkaian penguat common-emitter adalah yang paling banyak digunakan karena memiliki sifat menguatkan tegangan puncak amplitudo dari sinyal masukan. Faktor penguatan dari transistor dilambangkan dengan simbol beta (β).

Gambar dari rangkaian dasar common-emitter adalah sebagai berikut:

Gambar 1. Rangkaian dasar common-emitter

C₁ dan C₂ adalah kapasitor kopling yang menentukan dalam analisis DC dan AC, karena berfungsi sebagai hubungan singkat (short circuit) atau hubungan terbuka (open circuit). Besarnya penguatan ditentukan oleh hambatan basis R_B dan hambatan kolektor R_C, yang akan dijelaskan kemudian.

Rangkaian common-emitter dapat dibagi menjadi rangkaian fixed bias, voltage divider bias dan emitter bias.

a. Rangkaian common-emitter fixed bias

Rangkaian fixed bias adalah rangkaian yang paling sederhana dalam rangkaian common-emitter, yang mana hanya terdiri dari hambatan basis dan hambatan kolektor saja, seperti tergambar pada Gambar 1.

Pada analisis AC, semua kapasitor kopling, Vcc, dan sumber DC lainnya dianggap sebagai suatu hubung singkat (short-circuit), sehingga rangkaian pada Gambar 1 menjadi seperti gambar berikut ini:

Gambar 2. Rangkaian yang akan dianalisis

Dari gambar di atas dapat ditentukan besarnya impedansi masukan (Z_i) dan impedansi keluaran (Z_o), dengan menggunakan suatu model yang dapat menggantikan transistor menjadi sumber-sumber dan hambatan-hambatan. Model yang umum digunakan adalah model hybrid-π, dengan mengacu kepada arus kolektor (I_C) sebagai dasar untuk menentukan transkonduktansi (g_m) dari transistor.

Dengan terlebih dahulu menerapkan analisis DC di mana semua kapasitor dianggap sebagai suatu hubung terbuka, dapat ditentukan arus basis I_B, arus emitor I_E dan arus kolektor I_C sebagai berikut:

Setelah arus basis I_B, arus emitor I_E dan arus kolektor I_C ditentukan, maka selanjutnya dapat digambarkan rangkaian pengganti untuk transistor dalam mode arus AC sebagai berikut:

Gambar 3. Model hybrid-π dari gambar 2

Model di atas menggambarkan hubungan basis dengan emitor sebagai sebuah hambatan r_π, dan hubungan antara kolektor dengan emitor digambarkan sebagai sebuah sumber arus terkendali tegangan (voltage controlled current source, VCCS) yang besarnya diatur oleh perkalian nilai transkonduktansi (g_m) dengan nilai tegangan dari hambatan basis-emitor (v_π). Pada kolektor juga terdapat suatu faktor hambatan r_o yang mempengaruhi besarnya impedansi output, yang besarnya bervariasi tergantung kepada jenis transistor.

Besarnya transkonduktansi (g_m) dapat dihitung sebagai berikut:

Nilai k adalah konstanta bahan transistor, T adalah suhu ruangan (dalam satuan kelvin, K) dan q adalah massa satu elektron (1,62.10²³_C). Pada keadaan ideal (suhuruangan), nilai kT/q adalah 25 mV.

Nilai dari hambatan basis-emitor, r_π,dapat dihitung sebagai berikut:

Setelah ditentukan faktor transkonduktansi dan besarnya hambatan dalam basis-emitor, maka dengan mengacu pada gambar 3 dapat ditentukan besarnya impedansi masukan (Z_i) dan impedansi kelu (Z_o) sebagai berikut:

Untuk r_o sangat besar maka Z_o dapat disederhanakan menjadi:

Faktor penguatan tegangan (A_V) adalah besarnya penguatan tegangan dari terminal keluaran (V_o) terhadap tegangan dari terminal masukan (V_i) yang dirumuskan sebagai berikut: